（微电子学与固体电子学专业论文）单片集成mems电容式压力传感器研究.pdf

摘要 目前，硅压力传感器止朝着低成本、低功耗、微型化、智能化的方向发展，而单片集成是实现 以上趋势的有效途径。硅压阻式传感器和电容式传感器是压力传感器的两种主要类型。与前者比较， 电容式传感器具有高灵敏度、低功耗、低温票等优点，但是压阻式传感器更容易实现单片集成，原 因在于它不存在从密封腔内引出电极的问题。目前单片集成电容式传感器主要采用c m o sj ：艺与表 面微机械相结合的方式制造。使用这种方式制造的传感器除了工艺复杂以外，牺牲层释放时的粘连 性问题也降低了传感器的成品率。此外通过该方法加一i ：的电容式传感器，通过电容极板间距的变化 来响应压力的变化，由于电容值与极极间距呈反比，该类型电容具有很人的1 线性。 本文设计了一种同体式电容压力传感器，传感器由多晶硅_ - - 氧化硅瓜阱硅等三层膜组成，该传 感器电容结构与c m o s 工艺中的m o s 电容相同，因而完全与c m o s r 艺兼容。该传感器还避免了 密封腔内电极引出的问题，简化了：l 艺步骤，提高了传感器的可靠性。使h j 有限元方法对传感器复 合膜的机械特性以及灵敏度进行了分析。设计并制造了1 0 0 0 9 m 、1 2 0 0 p m 、1 4 0 0 9 m 、1 5 0 0 9 m 等四 种不同边长多层膜压力传感器，在4 6 0 h p a 到1 0 6 0 h p a 的动态范闱，相应灵敏度分别为1 8f f h p a 、 2 3f f h p a 、3 6f f h p a 、4 6 f f h p a 。对于边长为1 0 0 0 9 m 传感器，其灵敏度为1 8 f f h p a ，全程1 仁线性 度约为5 ，在4 6 0 - - 6 6 0 h p a 、6 6 0 - - 8 6 0 h p a 以及8 6 0 1 0 6 0 h p a 分段压力范同，相应的局部非线性 度分别约为2 2 、2 7 、3 9 。对于边长为1 5 0 0 p r o 传感器，其灵敏度为4 6 f f h p a ，全程非线性度 为6 4 0 6 ，最大滞同误著为3 6 。分析结果表明：介电常数变化使电容减小，而极板的儿何形变使 电容值增加，两者变化趋势恰好相反，同时介电常数变化是引起电容变化的主要原因，极板间距变 化对电容灵敏度的贡献可忽略。 本文采用的接口电路基于振荡原理，它将电容转化为频率，完成电容检测。接口电路主要由两 部分组成：电容一频率转化电路和筹频电路。电容一频率转化电路通过张驰振荡器实现，朋于将电 容转化为与之相关的频率。差频电路用于实现两个频率之差，该级电路的作用是使h j 类似“差分” 方法，消除了温度，寄生等共模干扰对电路稳定性的影响。这部分电路利用d 触发器实现。测试结 果表明：接口电路精度约为1 1 h z f f 。 集成传感器采用标准c m o s _ r ：艺和后处理 二艺相结合的方法加下。后处理一j ：艺主要包括：体硅 背面刻蚀，p n 结白停止腐蚀和研 极键合。采用p o s t - c m o s 微机械加：l ：技术制造传感器，保证了c m o s 工艺次序不被打断。 与普通电容式传感器比较，该传感器具有以下特点：( 1 ) 避免了密封腔极板电极引出，简化了 工艺步骤，而且该电容传感器与c m o s 工艺完全兼容。( 2 ) 传感器主要冈为电容介质层介电常数变 化引起电容变化，具有较高的灵敏度和线性度。( 3 ) 确定了使用p o s t - c m o s1 ：艺制作传感器，避免 打断止常的c m o sj r 艺流程。采用背面体硅加j 二工艺制造传感器，避免了表面微机械加：i ：的粘连问 题，提高了产品成品率。( 4 ) 大的初值电容和较高的灵敏度降低了对接口电路的要求。 关键词tm e m s ，单片集成，电容式压力传感器，吲体式电容 i v a bs t r a c t am e m ss e n s o ri n t e g r a t e dw i t hi t s o n - c h i pi n t e r f a c ec i r c u i t i st h ed e v e l o p m e n tt r e n d s i l i c o n p i e z o r e s i s t i v es e n s o r sa n dc a p a c i t i v es e n s o r sa r et h et w om a i nk i n d so fp r e s s u r es e n s o r s c o m p a r i n gt oa p i e z o r e s i s t i v es e n s o r , ac a p a c i t i v es e n s o rh a ss u c ha d v a n t a g e sa sh i g h e rs e n s i t i v i t y , l o w e rp o w e rd i s s i p a t i o n a n dl o w e rt e m p e r a t u r ed r i f t h o w e v e r , t h ep i e z o r e s i s t i v es e n s o ri se a s i e rt or e a l i z ei n t e g r a t i o nb e c a u s ei t a v o i d se l e c t r o d ef e e d - t h r o u g ho u to ft h es e a l e dc a v i t y a tp r e s e n t ，a ni n t e g r a t e d c a p a c i t i v es e n s o ri sm a i n l y f a b r i c a t e db yc m o sp r o c e s sp l u ss u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ，w h i c hm a yr e d u c et h ey i e l da n dc o m p l i c a t et h e f a b r i c a t i o ns t e p sd u et ot h es t i c t i o np r o b l e md u r i n gr e l e a s i n gs a c r i f i c i a ll a y e r s b e s i d e s ，t h i sk i n do f c a p a c i t i v es e n s o rc h a n g e st h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w oe l e c t r o d ep l a t e si nr e s p o n s et op r e s s u r ea p p l i e d a s t h ec a p a c i t a n c ei si n v e r s e l yp r o p o r t i o nt ot h ed i s t a n c e ，t h es e n s o rs h o w sb a dl i n e a r i t y an o v e lc a p a c i t i v ep r e s s u r es e n s o ri sp r o p o s e d ，w h i c hi sas o l i d - s t a t ec a p a c i t o rc o n s i s t i n go fp o l y s i l i c o n o x i d e n - t y p es i l i c o n t 1 l es e n s i n gs t r u c t u r ei ss i m i l a rt om o sc a p a c i t o r , a n dt h u sc o m p a t i b l ew i t h c m o sp r o c e s s m o s to fi m p o r t a n t ，t h es e n s o ra v o i d se l e c t r o d ef e e d - t h r o u g h ，w h i c hs i m p l i f i e st h ep r o c e s s a n di m p r o v e st h er e l i a b i l i t y 1 1 1 el o a d - d e f e c t i o na n a l y s i sa sw e l la st h es e n s i t i v i t yi sp e r f o r m e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d s e n s o r sw i t hd i f f e r e n ts i d el e n g t h so fl0 0 0 0 m ， 12 0 0 9 i n ，14 0 0 p m ，15 0 0 p mw c l e f a b r i c a t e d ，s h o w i n gt h es e n s i t i v i t yi s 1 8f f h p a ，2 3f f h p a ，3 6f f h p a ，4 6f f h p ao v e rt h er a n g eo f 4 6 0 1 0 6 0 h p a ，r e s p e c t i v e l y w i t hr e s p e c tt ot h es e n s o rw i t ht h es i d el e n g t ho f1 0 0 0 p r o ，t h es e n s i t i v i t yi s a b o u t1 8f f h p a ，a n dt h en o n l i n e a r i t yo v e rt h ef u l ls c a l ei s5 ，w h i l et h el o c a ln o n l i n e a r i t yo f4 6 0 - 6 6 0 h p a ， 6 6 0 8 6 0 h p a ，a n d8 6 0 10 6 0 h p ai s2 2 ，2 7 a n d3 9 ，r e s p e c t i v e l y w i t hr e s p e c tt ot h es e n s o rw i t ht h e s i d el e n g t ho f15 0 0 _ t m ，t h en o n l i n e a r i t yo v e rt h ef u l ls c a l ei s6 4 ，t h em a xh y s t e r e s i si sa b o u t3 6 1 1 h e a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h ep e r m i t t i v i t y sc h a n g ed e c r e a s e st h ec a p a c i t a n c ew h i c hi so p p o s i t et ot h ee f f e c to f g e o m e t r i cd e f o r m a t i o no ft h ec a p a c i t o r , a n dt h ec h a n g eo fc a p a c i t a n c eu n d e rp r e s s u r ei sm a n l yd u et ot h e p e r m i t t i v i t y sc h a n g e ，w h i l et h ec h a n g eo ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d e sh a r d l yc o n t r i b u t e st ot h e c h a n g eo fc a p a c i t a n c e t h ec a p a c i t o r - d e t e c t i n gc i r c u i t sa r eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc o n v e r t i n gt h ec a p a c i t a n c et of i e q u e n c y t h e ym a i n l yi n c l u d et w op a r t s ：( 1 ) c a p a c i t a n c e - f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc i r c u i t ，w h i c hi sr e a l i z e db y r e l a x a t i o no s c i l l a t o ra n du s e dt oc o n v e r tc a p a c i t a n c et oar e l a t e df r e q u e n c y ；( 2 ) d i f f e r e n t i a l - c a p a c i t a n c e c i r c u i t ，w h i c hi sr e a l i z eb ydr e g i s t e ra n dc a nr e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ef l u c t u a t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n d s u p p l yv o l t a g es o u r c e t h em e a s u r es h o w st h ep r e c i s i o no ft h ei n t e r f a c ei sa b o u tl1 h z f f 1 1 1 ei n t e g r a t e ds e n s o rw a sf a b r i c a t e db yc m o sp r o c e s sc o m b i n e dw i ms o m ep o s t - p r o c e s s ，w h i c h a v o i d si n t e r r u p t i n gt h es t a n d a r dc m o sp r o c e s s 1 1 1 ep o s t - p r o c e s sm a i n l yi n c l u d e s ：b u l ks i l i c o ne t c h i n g p n j u n c t i o ns e l f - s t o pe t c h i n g ，a n da n o d i cb o n d i n g c o m p a r i n gt oan o r m a lc a p a c i t i v es e n s o r , t h ep r o p o s e ds e n s o rh a ss o m ea d v a n t a g e si n c l u d i n g ：( 1 ) i t d o n tn e e de l e c t r o d ef e e d t h r o u g ho u to ft h es e a l e dc a v i t ya n di se a s i e rt ob ef a b r i c a t e da n dc o m p a t i b l ew i i t h c m o sp r o c e s s ；( 2 ) i tp r o v i d e sh i g hs e n s i t i v i t ya n dl i n e a r i t ys i n c et h ec a p a c i t a n c e sc h a n g ei sm a i n l y c a u s e db yt h ep e r m i t t i v i t y sc h a n g e ；( 3 ) p o s t - c m o st e c h n i q u eu s e dt of a b r i c a t et h es e n s o ra v o i d s i n t e r r u p t i o no ft h ec m o sp r o c e s s ，a n db u l km i c r o m a c h i n i n gc o n t r i b u t e st oa v o i ds t i c t i o np r o b l e ma n d i m p r o v et h ey i e l d ；( 4 ) l a r g ei n i t i a lc a p a c i t a n c ea n dh i g hs e n s i t i v i t yb e n e f i tt h ei n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n k e y w o r d s ：m e m s ，i n t e g r a t i o n ，c a p a c i t i v ep r e s s u r es e n s o r , s o l i d s t a t ec a p a c i t o r v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：童堕塾e l期：! 墼：茎：! 堇 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：童堕二垒导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 m e m s 硅压力传感器广泛应用于t 业控制、生物医疗、环境检测、航空航天等领域，巨大的市 场需求使得硅压力传感器成为m e m s 成功商业化的典型代表。自1 9 6 2 年，t u 兀 e 与c h a p m a n 等人成功制作出第一个压阻式硅压力传感器以来i ，碎压力传感器的发展已经有四十多年的历史。 随着m e m s 设计和制造技术的不断进步，硅压力传感器也取得了很人进展。目前就类别而言，硅压 力传感器主要有：压阻式压力传感器、电容式压力传感器、静电平衡式压力传感器、场发射式压力 传感器和谐振式压力传感器，其中压阻式和电容式压力传感器一i 据市场的主要份额。与压阻式压力 传感器相比较，电容式压力传感器具有灵敏度高、温漂小、功耗低以及结构结构坚同的优点，特别 适合于一些特定场合的应用。 单片集成是m e m s 传感器发展的趋势。所谓单片集成，就是以i c 工艺为基础，把传感器结构 和检测电路集成到一个芯片上。它继承了标准i c1 ：艺批龄生产、人规模制造的优点，在降低成本的 同时，还减少了寄生效应，提高了电路性能。因而单片集成是实现传感器微型化、智能化、低成本 的有效途径。 本章主要对压力传感器的发展概况作一些简单的介绍。1 2 节介绍了主要类型的压力传感器。1 3 节介绍了实现压力传感器单片集成的主要方式。1 4 节对目前电容式压力传感器的发展概况进行了综 述，小结了目前单片集成电容式传感器的主要问题。1 5 。j ，定义了传感器的主要性能指标。1 6 节给 出了本论文的主要上作以及论文纲要。 1 2 压力传感器概述 1 2 1 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器根据压阻效应制作。所谓压阻效应是指某些材料的电阻率( 如金属等) 随应 力的变化而变化。硅材料不仅具有良好的电学和机械特性，而且也具有很强的压阻特性，冈而是制 作压阻式压力传感器的良好选择。在压阻的制作过程中，p 型硅压阻的灵敏度要高于n 型硅压阻， 而且随着掺杂浓度的减小，压阻效应越显著，另一方面，掺杂浓度越低，压阻系数对温度的依赖性 越强。文献担】对压阻效应与掺杂浓度的关系进行了详细研究。 在使用标准c m o si c i i 艺制作该类传感器时，压阻可以在m o s 管源漏区掺杂时制作完成，也 可以通过调整多品硅掺杂浓度制作出多品硅压阻。前者通过p n 结与硅衬底隔离，压阻与衬底间存 在一定的寄生效应和漏电现象，后者则是将压阻直接作在氧化层上，避免了上述缺点，因而具有较 更高的灵敏度和更宽的工作温度范同【3 】。 一个典型的压阻式压力传感器如图1 1 ( a ) 所示【4 1 ，该传感器使用s o i 片制造。简单的制造过程如 下：( 1 ) 将s o i 片正面减薄抛光至l o 岫。( 2 ) 进行硼扩散，制作压阻。( 3 ) 光刻接触孔，以及刻蚀 金属引线。( 4 ) 双面对准，背面进行掏腔腐蚀，腐蚀到s i 0 2 层时，腐蚀臼停i ：。( 5 ) 阿l 极键合，形 成密封腔。在制作压阻时，压阻通常布置在应力最人处以便获得更高的灵敏度。同时为了减少失调 以及温漂的影响，通常将压阻布置成图1 1 ( b ) 的形式，并使用惠斯通电桥完成压阻的检测( 如图1 1 ( c ) ) ，最后电路的输出为： 东南人学硕t ：学位论文 = 名i a r ( 1 1 ) 其中，对于图( b ) 所示的压阻版图布局，压阻的相对变化量为： a 了r ：万仃+ i t o t ( 1 。2 一) = 万，仃，+ ， r “ 式中，兀l 和兀t 分别为径向和切向的压阻系数，o l 和o t 分别为作用在电阻条上的径向和切向的应力大 小。 压阻式压力传感器的优点在于它制作工艺简单和测量技术的成熟。但是压阻系数随温度变化， 因此该传感器往往具有较大的温度漂移。当压阻式传感器应用在人温度范同的场合时，后续电路在 完成压阻检测时，还要对传感器进行温度补偿，因此增加了检测电路的设计难度。 ( b )( c ) 图1 1 压阻式传感器示意图。( a ) 传感器剖面图；( b ) 压敏电阻分布( 项视图) ； ( c ) 惠斯通电桥，用于乐阻检测 1 2 2 电容式压力传感器 一个典型的电容式压力传感器如图1 2 所示1 5 j ，传感器由一个同定极板和一个可动极极构成，极 板间为一空腔。在外加压力卜，可动极扳发生弯曲，导致电容极极间距变化，从而引起电容变化。 该传感器简单的制造流程如卜：( 1 ) 在硅片止面各向异性腐蚀一个约5 1 t m 的浅槽，然后进行p 重掺 杂。该层既作为电容的- 卜极板，同时也作为腐蚀白停层。( 3 ) 硅片背面进行空腔腐蚀，腐蚀剑p + + 层时，发生重掺杂自停止。( 4 ) 在玻璃极板上刻出电容上极板，并与硅片进行刚极键合；( 5 ) 玻璃 钻孔，并填充导电树脂，完成电极引出。 2 第一章绪论 jr “7 7 p “l a v e r + + +“ 幽12 变间距式屯窬压力传感器结杜酬 该传感器制作过榭需要位j j 玻璃钻孔等1 f 标准的微机械加l 技术完成密封腔山叱极的引出，制 造i 艺比较复杂，而且可靠性也不高，该传感器的另一个缺点在r 它o i l 基【艺不精释。文献”1 中 提山了一种新艰的爪力传感器结构( 如幽1 3 所示) ，改进的结构在制作过群中使川两次砘一硅键台 技术避免了密封腔内电极引山的问题简化了i 艺，同时与砘一玻璃键台相比，辞一硅2 间具有 一致的热膨胀系数，传感器由丁热火配引起的火调可以降到最低。 lo p 怕k r g 孙“e t 图l3种改进刑的变问e 式电栉压力传感器，该结构避免密封脏u 极引出 l 而介皇 的电弈式压力传感器主要基丁电存极板间距变化米响麻待0 压力的变化。由丁电寄值 与司距早反比例关系，该类刑电弈式传感器具有较人1 | 线性。 受进方法之楚将可动极板制作成边 缘薄、巾央厚的形状“1 ，使得在压力作f ，敏感膜的不同部1 ：_ 7 _ 具仃相近的位移，以提高传感器的 线性度。这种方法一方面增加丁加l ：难度，同时也降低了传感器的灵敏度。 政善l h 秤式传感器线性度的另外一种方式是通过极板面积的变化米响麻压力变化。k o 等人首次 报道了这种变而积式l u 秤式压力传感器“u ，如幽1 , 4 所示。它的结构- ，蹙间距式电弈传感器相似， 不同之处在j ：该传感器fr 极板接触，主要通过饭扳接触而积变化米反映j k 力变化。与变间距式传 感器比较该传感器冗宵线性度扑，站样人以及结构啭矧等优点。世是，为了使传感器且有良好的 滞同特性，极板2 问的绝缘层不能使川s i o z 等这类常见的弹性介质材料文献巾通过溅射玻璃的方 法制作绝缘层，凌方法与硅基l ：艺不兼容。 东南人学硕一j ：学位论文 一弋 厂 | p r e s s u r e 引愈忝 s u b s t 陀t e 芒& t r 。d e g l a s s 图1 4 变面积式电容压力传感器 文献 1 0 1 中报道了另外一种类型的电容式压力传感器( 见图1 5 ) ，该传感器为同体传感器，在文 献中作为触觉传感器使用。与上面介绍的传感器不同，在待测压力作 材下，它主要由于介电常数发 生变化而引起电容变化。该传感器主要依据电致伸缩增强效应进行t 作。所谓电致伸缩增强效应是 指弹性电介质冈为发生形变而导致介电常数发生变化，这对于任何弹性介电材料米说是一种普遍的 介电物理效应。文献对此进行了详细的研究。该效应可作为制作电容式传感器的一种基本原理。 图1 5 变介电常数式电容压力传感器剖面图 1 2 3 静电力平衡式压力传感器 前面介绍的电容式压力传感器中，为保证获得较大的初值电容和灵敏度，通常电容极板的间距 都在几微米”j 【丌。传感器在大负载的情况_ 卜，两极极接触，鼙程达剑饱和，因而上述的电容式压力传 感器具有量程小的缺点。静电力平衡式压力传感器则克服了上面的缺点，它可以进行人范围量程的 测量。一个典型的静电力平衡式压力传感器如图1 6 所示【l ，它主要依据力平衡原理，通过反馈使 得静电力和待测压力保持平衡，来获得大的测量范闱和高的线性度。传感器由玻璃( p y r e x7 7 4 0 ) 、 硅以及玻璃( p y r e x7 7 4 0 ) 等三层结构组成。其中上玻璃极板和硅之间构成伺服电容，下极板与硅之 间构成敏感电容c 。，用于检测压力。在外加压力下，硅膜发生弯曲，导致c 。增大，并通过传感器的 反馈电路使得加在伺服电容间的电压增大，从而保证作用在硅膜上的静电力和外加压力保持平衡。 4 第一章绪论 钞表示电信号流图 图1 6 静电力平衡式电容压力传感器 在平衡状态下，反馈电压风与所测压力p 的关系为， 广= _ 一 v s = 4 2 d z p 8 0 ( 1 3 ) 其中d 为伺服电容极板间距，eo 为真空介电常数。这样便可通过测量伺服电压米获得待测压力的火 小。当伺服电容间距d 为3 6 9 r n 时，测量大小为2 5 t o r r 的压力，驱动电压约为1 0 0 v 。为了提高静 电力平衡式压力传感器的测量范围并降低驱动电压，g o g o i 等人提出改变驱动电极和受压膜面积的 做法，并采用表面微机械加1 ：方法实现了一定膜面积比率的静电力平衡压力传感器。测蛀的压力范 围提高到一个大气压，同时将驱动电压降低到1 5 - 2 5 v 【1 2 】。 1 2 4 谐振式压力传感器 梁、膜等微结构的谐振频率会随应力变化而变化，谐振式压力传感器就是依据以上原理制作而 成。它通过压力变化改变微结构( 称为谐振器) 的谐振频率，并通过检测频率的变化来获得压力的 变化。为了减少空气阻尼的影响，提高谐振器的品质因数，通常将谐振器真空密封在空腔内，并通 过腔外的敏感膜传递压力的影响。为了检测谐振器的谐振频率，必须给它施加激励，使其发生受迫 振动，并检测其振动信号( 称之为拾振) 。谐振器的激励方式有静电激励，电热激励、电磁激励及 激光激励等方式。图1 7 给出了一种电热激励、压阻拾振的谐振式压力传感器结构图川。待测压力 施加于下层硅片的薄膜上，薄膜的形变导致梁周边的应力改变，进而调整梁谐振频率。该传感器使 | 【 j 双端同支梁( s i 3 n 4 材料) 作为谐振器，通过电阻加热产生的热应力使传感器发生受迫振动，制作 于梁根部的铂压阻用于信号检测。传感器采刚反应离子刻蚀和硅片背面各向异性腐蚀的方法制作同 支梁，另一个硅片通过体硅掏腔腐蚀形成敏感膜。两硅片通过硅一硅键合的方式实现粘接。 与其他机械式压力传感器比较，谐振式压力传感器具有精度高，稳定性好等优点。 5 东南人学硕一i 二学位论文 图1 7 电热激励、压阻拾振的谐振式压力传感器结构图 1 2 5 真空微电子压力传感器 h s i e n - - c h u n gl e e 等人在1 9 9 1 年首次报道了真空微电子压力传感器【1 4 1 。一个典型的真空微电子 压力传感器如图1 8 所示，它主要由掰i 极、阴极( 锥尖形状) 、真空密封腔等儿部份组成，其中阻i 极 还起着敏感膜的作用膜的位移随外加压力变化而变化。它主要依据场致发射原理：在阿i 极与阴极 之间施加一止向压降，由于两极之间的间距非常小( 纳米量级) ，该压降在阴极产生一个强人的电场， 使得阴极电子向舟1 极发射，产生发射电流。在待测压力作用下，敏感膜发生弯曲，阴极与阳极之间 的间距改变导致发射电流发生剧烈的变化。 与其他类型压力传感器比较，该传感器具有抗辐射、温度特性好、灵敏度高等优点，但它对制 造工艺有着更高要求：阴件i 两极之间的问距在纳米量级；阴极锥尖的锐化处理，另外，为提高传感 器的温度稳定性，往往需要在阴极上淀积一层金属或金刚彳i 薄膜；真空密封腔的制作。真空微电子 压力传感器的性能与以上工艺密切相关。 图1 8 真空微电子压力传感器示意图 1 3 单片集成压力传感器发展现状 在过去四十多年的时间里，硅压力传感器的设计和制造均取得了很人的进步，低成本、低功耗、 高性能、微型化和智能化是m e m s 传感器发展的趋势。以i cj ：艺为基础，实现传感器与信号处理 电路的集成则是实现该趋势的有效途径。目前主要有以下两种方式实现传感器和接口电路的集成： 混合集成( h y b r i d ) 和单片集成( m o n o c l i n i c ) 。所谓混合集成指的是分别在不同的芯片上完成传感 器和处理电路制作，并将传感器芯片和处理电路芯片刖定在同一个衬底上，两者通过引线键合实现 电气连接。单片集成则是指传感器和接口电路制作在同一个芯片上，通过多层金属实现互连。其中 以主流的c m o s 技术实现传感器与电路的单片集成技术，称之为c m o sm e m s 技术。与单片集成 6 第一章绪论 相比较，混合集成的方法避免了m e m sj ：艺与标准i c 工艺之间的不利影响，实现方式相对简单， 但是引线键合的方式又会带来可靠性降低和传感器性能下降等问题。此外。混合集成方法要求将传 感器和信号处理电路分别进行封装，也增加了制造成本。冈此，单片集成是发展的主流。 硅压力传感器属丁机械式传感器，它土要利用硅的机械特性，通过可动的微机械结构( 如膜、 梁等) 将待测压力转换为电容、电阻等电学参量，完成压力的测量。使用硅材料制作机械结构和电 路时，往往有着不同的考虑。实现单片集成的关键在于：以i c 工艺为基础，在不影响电路性能的前 提下，完成传感器微机械机构的制作。 在单片集成压力传感器的制作过程中，主要有以下几个方面对电路的性能可能产生影响：( 1 ) 退火：i ：艺。为了使微机械结构具有良好的机械特性，往往需要进行高温退火一r = 艺，以恢复由于溅射 等造成的机械损伤，或释放微结构中的残余应力。以多品硅为例，它在m e m s 中常作为结构层使用， 为了使其具有良好的机械性能，在淀积完多品硅后，往往需要在9 0 0 0 c 的温度条件下退火，然而在 以金属铝作为互连线的i c 二l 艺中，为了不破坏铝一硅之间的接触，要求最高的温度应该小于4 5 0 0 c 。 此外，在9 0 0 0 c 的温度下，还会引起源漏等掺杂区进行再分布，导致电路性能发生漂移。( 2 ) 微机 械结构的释放。m e m s 结构的释放方法土要有于法刻蚀( 如深槽反应离子刻蚀d e ) 和湿法刻蚀 ( 如各向异性湿法刻蚀) ，斤者由丁其低成本、高效率而得到j “泛应用。但是，在湿法释放结构时， 应该防_ i ：腐蚀液对电路不利影响，比如在体硅加- t 1 ：艺中，常常使用k o h 对砖进行掏腔腐蚀，然而 k o h 同样也会刻蚀铝，且溶液中的金属离子会对电路造成污染，冈此要求在结构释放时对电路采取 适当的保护措施。( 3 ) 键合工艺。该步工艺主要用于以体硅加工为主的压力传感器腔体的密封，常 见的键合工艺主要有硅一硅键合( s d b ：s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ) 以及玻璃一硅阿j 极键合( a n o d i c b o n d i n g ) 。硅一硅键合要求在8 0 0 0 c 的温度条件。f 进行，如此高的温度条件会严重影响电路性能。 与硅一硅键合技术相比较，刚极键合的条件相对较低，在3 0 0 0 c 的条件下就可以进行键合操作，因 此避免了高温对电路的不利影响。但是阿j 极键合要求在满足一定温度条件的同时，还需要在衬底之 间加上儿百伏的高压，高压下产生的强电场可能会使电路击穿火效。 基于上述原冈，在单片集成压力传感器的设计和制造过程中，往往要求对标准的i c1 ：艺作适当 的调整，通过合理的安排r 艺步骤，尽量减少微机械结构与电路之间的不利影响。根据传感器结构 和接口电路制作一i ：序的不同，使用c m o sm e m s 技术制作单片集成压力传感器主要有以下三种方法 副：前c m o s 微机械加j r = ( p m c m o s ) 、内c m o s 微机械加工( i n t c r m e x i i a t e - - c m o s ) 、后c m o s 微机械加工( p o s t c m o s ) 。 ( 1 ) 前c m o s 微机械加工 前c m o s 微机械加j i j 技术在硅片上先完成m e m s 器什的制作，然后在标准i ct 艺线上制作信 号处理电路并实现m e m s 器件和电路的互连。图1 9 给出了一个典型的使用前c m o s 技术制作压阻 式压力传感器的工艺流程图0 6 。- t 艺过程简单概括如下：( a ) 在p 型硅衬底上外延一层n 型硅，外 延层厚度约为l o 微米，该层既作为m e m s 结构层，同时也作为电子器件的衬底。另外在另一块p 型硅片上通过各向异性腐蚀形成一个浅槽。( b ) 将两块硅片在l l o o o c 的温度下进行键合( 键合面如 图所示) ，并通过电化学自停j ：腐蚀，去除上表面的p 型硅，只留下n 型外延层，自停j ：腐蚀用于 精确控制n 型层厚度。接卜来对该键合片进行标准的i c 流水，完成处理电路的制造和m e m s 器件 和电路间的连接。 从上面的例子可以看出，使刚前c m o s 微机械加1 ：技术避免了制作m e m s 器件期间的高温。r 艺对电路的影响。这种集成方法的难点在丁后续c m o s ：艺所需的表面平坦化以及m e m s 与电路 间的互连上。 7 东南火学硕上学位论文 lp n uu 尸捌 腔 p 型硅片 i ；? 一_。 图1 9 使用前c m o s 微机械加工技术制作的压阻式压力传感器i j 艺流程。 在正常c m o s 工艺前，先通过湿法刻蚀和键合方式形成密封腔。 ( 2 ) 内c m o s 微机械加工 内c m o s 微机械加工技术将打断正常的i ct 艺流程，待微机械结构制作完成后，重新恢复l c 流程，完成后续电路的制作和m e m s 器件与电路的连接。图1 1 0 给出了一个典型的使州内c m o s 微机械加：i j 技术制作的电容式压力传感器的示意图【1 7 1 。该传感器采用1 5 t a m 、双多晶c m o s ：i ：艺与 表面微机械上艺相结合的方式制造，简单的j r 艺流程如卜：( a ) 在制作m o s 管源漏期间，通过n + 掺杂形成传感器电容下极板。( b ) 在硅片上方淀积s i 3 n 4 和s i 0 2 薄膜，s i 3 n 4 用于防止过载时，上下 极板发生短路以及腐蚀阻挡层，s i 0 2 则用作腐蚀牺牲层。( c ) 使用各向异性腐蚀液h f 腐蚀牺牲层 形成传感器空腔。( 4 ) 淀积氧化层，密封空腔，完成后续的金属互连工艺，形成电路与m e m s 器件 间的电气连接。 p o t y2 ， p o 妙1 图1 1 0 使用内c m o s 微机械加丁技术制作表面微机械式电容传感器剖面图。 制作m o s 管后，中断c m o s 工艺流程，牺牲层释放形成空腔； 然后恢复c m o s 工艺流程，进行后续金属互连j t ：艺 使用内c m o s 微机械加：i ：技术对电子和结构器件性能影响较小，但它需要打断i c 流程，在完 成m e m s 器件制作后，义要将经过1 标准i c 工艺处理过的硅片重新放到i c l ：艺线上流水，这点对 于j r 艺代一i ：厂商而言，往往雉以接受。冈此该方法具有很人的局限性。 8 第一章绪论 ( 3 ) 后c m o s 微机械加工技术 后c m o s 微机械加工技术指的是在正常的i c 工艺流程结束后，再进行m e m s 器件的制作。该 技术是目前使用最为广泛的单片集成技术。使用该技术制造压力传感器时，传感器结构往往在正常 的i cr 丁艺流程中制作完成，后处理上艺主要用于结构的释放，以及腔体的密封。 后处理j r 艺可以从硅片正面进行结构释放，也可以从硅片背面进行结构释放。腔体的密封则可 以通过淀积氧化层或者刚极键合等方式米实现【1 8 】【1 9 】。文献【2 0 】使用标准c m o s ：l ：艺与正面后处理工艺 相结合的方式制造双端i 司支梁、悬臂梁等m e m s 结构，后处理时从硅片正面进行结构的释放。文中 的悬臂梁结构由场氧多晶钝化层等层组成，加t t 艺采用标准c m o s ：i ：艺与止面体硅各向异性腐 蚀技术相结合的方式。为了进行正面体硅各向异性腐蚀，需要对结构版图进行特殊处理，悬臂梁版 图如图1 1 1 所示，m e m s 相关结构上方布置了有源区( a c t i v e a r e a ) 、接触孔( c o n t a c tc u t ) 和压焊 块( p a do p e n i n g ) 等层。在标准i c 丁艺流程以后，对应区域将暴露出硅表面，然后通过正面体硅 腐蚀完成结构释放，在腐蚀过程中，正面电路部分由钝化层保护。 心 r 忒热 1 、 j b 七告 ，n 苜r ? t r 抽 上，r ， n + 噔蔓皇猡鬯竖磐蝼 ( b ) 图1 1 l 采用止面后处理方式制作悬臂梁。( a ) 使用c m o s 上艺制作悬臂梁结构的版图设计： ( b ) 在c m o s 丁艺后，对应( a ) 图的剖面图 压力传感器也可以采用标准i cj ：艺与背面体硅加工( 后处理工艺) 相结合制造。文献使用以 上方法制造一种压阻式压力传感器( 见图1 1 2 ) 。后处理工艺主要包括电化学自停止和阿f 极键合等：r 艺步骤，p n 结自停止腐蚀用于结构的释放和精确控制膜的厚度，降1 极键合则用于腔的真空密封。 c m o si c p i e z o r e s i s t o r 图1 1 2 采朋标准i c 工艺和体硅背面加j ：相结合的方式制作单片集成压阻式压力传感器 以上对前c m o s 微机械加工、内c m o s 微机械加上、后c m o s 微机械加。i j 等三种c m o sm e m s 9 东南大学硕1 ：学位论文 技术进行了简单的介绍。比较以上三种技术，前c m o s 微机械加：l 技术在硅片进行正常i c 工艺之 前，已经对硅片进行了非标准i c 工艺的处理，内c m o s 微机械加： 需要打断正常i c ：r = 艺流程。由 于对标准的i c 工艺顺序以及设计规则所作的任何修改都可能会对1 ：艺线产生很大的影响，导致元件 的性能变差，成晶率变低，因而以上技术往往是上艺厂商不能接受的。对于设计者而言，更多的是 使自身的设计方案去迎合工艺商的要求，因而后c m o s 微机械加工技术是目前实现单片集成的主流 技术。 1 4 电容式压力传感器综述和总结 自第一个压阻式压力传感器诞生以来，压力传感器已经有四十多年发展历史。根据不同原理， 机械式压力传感器主要有压阻式、电容式、静电平衡式、谐振式以及真空微电子式等几种类型。其 中压阻式和电容式压力传感器是压力传感器两种主要类型。与乐阻式压力传感器比较，电容式压力 传感器具有低功耗、低温漂、高灵敏度等优点。但是压阻式压力传感器制作：j 二艺简单、易于实现集 成的优势，使得它r | i 据了压力传感器人部分市场分额。与电容式传感器相比，压阻式压力传感器易 实现单片集成的原因在于它无需从空腔内进行电极引出。 对于实现单片集成的三种技术，前c m o s 微机械加一l ：技术和内c m o s 加1 1 ：技术不同程度的对标 准i c 工艺进行调整，这对于工艺厂商往往难以接受。因此对自身不具备i c 工艺线的设计者而言， 使用后c m o s 微机械加t 技术实